スペースに制約のある密閉型デバイスにワイヤレス充電を迅速かつコスト効率よく追加する方法

密封された小型ワイヤレス機器の需要が増加しているため、より効果的な充電ソリューションが求められています。従来の充電アプローチは、エンドユーザーにとって満足のいくものではなく、スペースに制約のある機器では課題をもたらし、過酷な環境には適していません。ワイヤレス充電はこれらの問題の多くに対処していますが、利用可能なソリューションは、これらのデバイスの統合、電力、効率の要件を満たしていません。

この記事では、スペースに制約のある密閉型機器向けの充電ソリューション強化の必要性について解説します。続いて、 Analog Devices の多用途ワイヤレス充電ソリューションを紹介し、開発者が適切で安全かつ効率的な充電を容易に実施できるようにする方法を説明します。

より効果的な充電ソリューションへの需要の高まり

ヘッドセット、インイヤデバイス、フィットネスデバイスなど、よりコンパクトなウェアラブル電子機器に対する需要の増加は、これらのアプリケーションの物理的なサイズの制約を満たし、多様な動作環境において密閉型ユニットの完全性を確保する充電ソリューションの必要性を促進し続けています。物理的なコネクタを必要とする従来の充電方法では、摩耗やほこりや湿気などの環境要因の影響を受けやすいため、これらの要求を満たすには不十分です。その結果、ワイヤレス充電技術は単なる目新しい機能ではなく、このクラスの製品の基本要件になりつつあります。

外部充電ポートを必要としないワイヤレスパワー伝送（WPT）システムは、充電源と密閉されたデバイスの間の空隙で動作することにより、潜在的な問題を解決します。しかし実際には、効果的なWPTソリューションの設計には、電力伝送効率、フォールト処理、バッテリおよび熱管理など、複数の技術的課題があります。狭いスペースの制約を満たす必要があることが、さらに問題を複雑にしています。

高集積デバイスによるWPT設計の簡素化

Analog Devicesの LTC4124 ワイヤレスリチウムイオンチャージャと LTC4125 ワイヤレスパワートランスミッタは、スペースに制約のある密閉型機器に求められる高集積、高電力、高効率の要求を満たすために開発されました。

LTC4124は、わずか2 x 2mm、高さ0.74mmのLQFNパッケージで提供され、最大100ミリアンペア（mA）の選択可能な充電電流でリチウムイオンバッテリを充電するために必要なすべての機能を統合しています（図1）。

図1：包括的な機能を備えたLTC4124ワイヤレスリチウムイオンチャージャは、WPTの実現を容易にします。（画像提供：Analog Devices）

包括的な統合充電機能により、追加部品なしでスタンドアロンのリチウムイオンバッテリチャージャとして使用できます。そのフル機能、ピンプログラム可能な定電流/定電圧（CC/CV）リニアバッテリ充電機能は、安全充電終止タイマ、不良バッテリ検出、自動再充電を完備しています。

LTC4124のローバッテリ遮断機能は、バッテリの寿命を縮める可能性のある、充電状態が非常に低いバッテリを、それ以上の放電から保護するのに役立ちます。遮断機能により、入力電源が供給されず、バッテリ電圧が指定の最小値を下回ると、LTC4124はシャットダウンします。シャットダウンすると、デバイスは切断スイッチ（図1のM3）を開き、バッテリのさらなる放電を防ぎます。出荷モード機能により、LTC4124はACINまたはDCINピンに電源が供給されるまでバッテリの放電を防ぎます。

LTC4124は、バッテリ温度が高すぎる場合に充電を行わないように設定することも可能で、負温度係数（NTC）サーミスタと発光ダイオード（LED）を追加することで、充電状態を視覚的に表示することができます（図2）。

図2：LEDとNTC抵抗の2つの部品とLTC4124チャージャを使用するだけで、開発者は充電状態を視覚的に表示する完全な温度品質評価チャージャを実現できます。（画像提供：Analog Devices）

外付けの並列接続されたインダクタ-キャパシタ（LC）共振タンク回路をLTC4124のACINピンに接続することで、開発者はこの基本設計を簡単に拡張し、WPTシステムのレシーバ側を作製することができます。Analog DevicesのLTC4125と組み合わせることで、このアプローチは完全な100mA WPTソリューションを提供します（図3）。

図3：LTC4125トランスミッタとLTC4124チャージャは、コンパクトな100mA WPTソリューションを提供します。（画像提供：Analog Devices）

LTC4124と同様に、LTC4125はWPTアプリケーション専用に設計された高集積デバイスです。5 x 4 x 0.75mmのQFNパッケージで、3～5ボルトの電源から5ワット以上を供給できます（図4）。

図4：Analog DevicesのLTC4125ワイヤレスパワートランスミッタは、適切に調整されたレシーバに5ワット以上を供給するために必要な機能ブロックをすべて統合しています。（画像提供：Analog Devices）

このデバイスの心臓部では、Analog Devices独自のAutoResonantテクノロジーによって、スイッチピン（SW1とSW2）に接続された直列LC回路の共振周波数を自動的に検出し、一致させます。AutoResonantテクノロジーは、送信電力の最適化に加え、異物検出においても重要な役割を果たしています。送信コイルの近くに異物が置かれると、コイルの実効インダクタンスが著しく低下し、LTC4125の駆動周波数が上昇します。後述するように、この駆動周波数の上昇は、異物の存在を示すものとして使用されます。

WPTの最適化

WPTの間、LTC4124レシーバに内蔵されたワイヤレスパワーマネージャは、WPTシステムのトランスミッタ/レシーバペアのトランスミッタハーフの送信コイルから発生する交番磁界からのAC電圧を整流します。LTC4124ワイヤレスパワーマネージャは、内蔵のコンパレータ（CP1）とスイッチ（SW1およびSW2）を使用して、バッテリの充電に必要なエネルギー以上のエネルギーを受け取ると共振タンク回路をグランドにシャントすることにより、V_CC ピンの整流電圧をバッテリ電圧（V_BATT）よりわずかに高いレベルに維持します。

しかし、このシャント機構によって消費される電力は、デバイスの熱負荷を増大させる可能性があります。LTC4125トランスミッタは、レシーバに到達するエネルギー量を減らすために、より直接的なメカニズムを提供します。

LTC4125は、AutoResonantテクノロジーが電力供給を最適化する一方で、サーチサイクルの連続的なシーケンスにおいて、レシーバの負荷に合わせてトランスミッタの電力出力を監視および調整する最適電力サーチ機能を備えています。各サイクルにおいて、LTC4125は、コイル電流を駆動するブリッジに供給されるパルスの幅に比例するパルス幅電圧（V_PTH）を段階的に増加させることにより、送信電力を段階的に上昇させます。共振タンクフィードバック電圧（V_FB）が大きく変化すると、送信電力が受信負荷を満たすか超えるのに十分であることを示し、そのパルス幅電圧でサーチが停止し、次のサーチサイクルまで所望の送信出力電力レベルが維持されます（図5）。

図5：LTC4125のトランスミッタ最適電力サーチ機能は、適切な出力レベルを見つけるために段階的なサーチを実行することで、レシーバの負荷に出力電力を整合させます。（画像提供：Analog Devices）

LTC4125の最適電力サーチは、有効な終了条件または複数のフォールト状態のいずれかを検出するまで、一定のプロセスフローを通じて各サーチサイクルを実行します（図6）。

図6：LTC4125トランスミッタは、最適電力サーチアルゴリズムを実行する際、有効な終了条件または複数のフォールト状態のいずれかに合致するまで、一連のステップで電力出力を増加させ続けます。（画像提供：Analog Devices）

このプロセスにおいて、LTC4125は、最適な送信電力を示すいくつかの定義済みの有効な終了条件を認識します。さらに開発者は、入力電流を制限する入力電流閾値（V_ITH）と、送信コイルと受信コイル間の結合が不十分な状態で使用した場合の送信電力を最適化する差動タンク電圧閾値（DTH）を含む、2つのプログラム可能な終了条件を指定できます。

LTC1425は、送電の安全性と効率を損なう可能性のあるいくつかのフォールト状態を次のように自動的に検出します。

• NTC入力ピンで検出されるNTC電圧（V_NTC）によって決定されるコイル温度の閾値を超えた場合
• FB端子電圧V_FB>V_INで検出されるタンク電圧の最大閾値を超えた場合
• ダイ内部の過熱閾値（150°C標準）を超えた場合
• 周波数閾値を超えると、送信コイルインダクタンスの低下とそれに伴う駆動周波数の上昇により、異物の存在を示す場合
• 入力電流制限（ILIM）超えた場合
• 有効な終了条件を見つけることなく、サーチランプを完了した場合

これらのフォールト状態のいずれかが発生すると、デバイスは次のサーチ間隔まで電力供給を停止します。

開発者向けには、AutoResonantドライブや最適電力サーチなどの機能が、終了条件やフォールト状態に応じて自動的に作動します。これらの条件のいくつかの閾値はデバイス内で固定されていますが、開発者は、電源設定、終了条件、フォールト状態を決定するために使用されるさまざまな側面について、かなりのコントロールを維持しています。

Analog Devicesの DC2770A-A-KIT デモキットおよび100mA DC2770A-B-KIT デモキットを使用することで、開発者は最大100mAでリチウムイオン電池を充電する際のLTC4124レシーバとLTC4125トランスミッタの性能を迅速に評価できます。各キットには、LTC4125ベースのトランスミッタボードとLTC4124ベースのレシーバボードが含まれています。どちらも、デバイスの性能特性を設定し、結果をモニタするためのジャンパと接続ポイントを備えています。

まとめ

小型で密閉された機器へのトレンドは、それらが依存するバッテリを充電するための効果的な方法の設計を複雑にしています。WPTは効果的なソリューションを提供しますが、効率的なワイヤレス充電設計の実現は困難です。これらの課題に対処するために設計されたAnalog Devicesのワイヤレスパワーレシーバとトランスミッタは、スペースに制約のある密閉型デバイスへのWPTの実現を容易にします。